Могут ли спирали сверхтекучести стать ключом к пониманию квантовой механики?

Исследователи из Киотского университета совершили прорыв, разработав контролируемый метод возбуждения и наблюдения волн Кельвина в сверхтекучем гелии-4, что открывает новые горизонты для изучения квантовых явлений. Волны Кельвина, спиралевидные колебания, распространяющиеся вдоль вихревых линий в сверхтекучих средах, впервые были описаны лордом Кельвином еще в 1880 году. До недавнего времени их изучение в лабораторных условиях было крайне затруднительным, обычно они возникали спонтанно и неожиданно. Новая методика позволяет не только возбуждать эти волны, но и детально изучать их свойства.
Могут ли спирали сверхтекучести стать ключом к пониманию квантовой механики?
Изображение носит иллюстративный характер

Сверхтекучесть – это уникальное состояние вещества, проявляющееся при экстремально низких температурах, когда жидкости демонстрируют квантовые эффекты на макроскопическом уровне. Одной из главных характеристик сверхтекучести является нулевая вязкость, позволяющая жидкости течь без какого-либо трения. Гелий-4, в частности, переходит в это состояние при охлаждении ниже 2.17 Кельвина (-270.98°C). При таких температурах он демонстрирует поразительные явления, например, возможность подниматься по стенкам контейнера вопреки силе тяжести. Сверхтекучесть объясняется конденсацией Бозе-Эйнштейна, квантовым эффектом, при котором большая часть частиц переходит в одно и то же квантовое состояние.

Энергия в сверхтекучих жидкостях рассеивается именно через волны Кельвина. Экспериментальный метод был обнаружен случайно, когда ученые пытались переместить наночастицы, закрепленные на вихре, с помощью электрического поля. Вихревая линия – это ось, вокруг которой вращается сверхтекучая жидкость. Наночастицы из кремния были созданы в сверхтекучем гелии-4 при температуре 1.4 Кельвина с помощью лазера, воздействующего на кремниевую пластину. Эти частицы оказались захвачены в ядрах остаточных вихрей из-за локальных потоков, возникающих во время их формирования.

Используя переменное электрическое поле, исследователи вызвали колебания наночастиц, что, в свою очередь, создало волны Кельвина вдоль вихревой линии. Частоты, используемые для анализа поведения волн, лежали в диапазоне от 0.8 до 3.0 Герц. Для трехмерной реконструкции движения волн использовалась система из двух камер и методы подгонки сплайновых кривых. Полученные экспериментальные данные были подтверждены с помощью симуляций на основе модели вихревых нитей.

Значение этого исследования трудно переоценить. Разработанный метод открывает путь к манипулированию и наблюдению за поведением квантовых жидкостей. Это может стать отправной точкой для разработки аналогичных методов в других квантовых системах. Теперь ученые могут изучать свойства волн Кельвина, включая дисперсионные соотношения, фазовую скорость и трехмерную динамику. Кроме того, исследование подтвердило спиралевидную структуру волн и впервые определило их хиральность – в данном случае, левозакрученную спираль.

Полученные результаты не только углубляют понимание физики сверхтекучести, но и предоставляют новый инструмент для изучения процессов переноса и рассеяния энергии в этих уникальных квантовых жидкостях. Это открытие – важный шаг на пути к более полному пониманию квантовых процессов.

Данные исследования могут способствовать развитию технологий, основанных на использовании свойств сверхтекучести.

В будущем исследования будут направлены на изучение нелинейных и диссипативных процессов, связанных с волнами Кельвина. Например, как происходит их распад и как они взаимодействуют друг с другом. Кроме того, большой интерес представляет изучение механических свойств и характеристика квантованных вихрей. Эти исследования помогут углубить понимание фундаментальных законов физики и, возможно, приведут к новым технологическим прорывам.

Первым автором исследования, опубликованного в журнале Nature Physics, является доцент Йосуке Минова из Киотского университета. Контролируемое возбуждение и наблюдение волн Кельвина – это значительный шаг вперед в изучении квантовой физики, позволяющий пролить свет на процессы, которые до сих пор оставались загадкой. Теперь перед исследователями открываются новые возможности для изучения загадочного мира сверхтекучести и ее уникальных свойств.


Новое на сайте

21008ИИ-агент в чужой сессии: кто отвечает за его действия 21007Какие версии Zoom Workplace для Windows уязвимы для удалённого повышения привилегий? 21006Как две уязвимости в Xen Orchestra открыли путь к захвату XCP-ng? 21005Поддельные сайты ИИ превращают опечатки в ловушки 21004Как обновление Node.js закрывает уязвимости HTTP/2 и TLS? 21003Почему Claude Fable5.2 обошёл GPT-6 Cyber в испытании многоэтапных кибератак? 21002Две уязвимости Red Hat Quay открыли доступ к чужим образам 21001После сигнала: почему для расследования нужны подробные сетевые данные 21000Критическая ошибка PTC Windchill и FlexPLM открывает путь к удалённому выполнению кода 20999Слепые зоны идентичности: чего не хватает SOC при расследовании атак 20998Обновления Apple закрыли лазейки в групповых чатах и Bluetooth 20997Уязвимость iPhone может открыть приложениям доступ к чужим файлам 20996Что раскрыла расширенная проверка утечки Fireworks AI? 20995Уязвимость в Apache HTTP/2: удалённое выполнение кода без входа 20994Как защитить виртуальные машины Google Cloud от утечек на AMD Turin?
Ссылка